Basit EKG Devresi ve LabVIEW Nabız Programı: 6 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:21

Elektrokardiyogram veya daha sonra EKG olarak anılacaktır, tüm tıbbi uygulamalarda kullanılan son derece güçlü bir teşhis ve izleme sistemidir. EKG'ler, kalp hızındaki veya elektrik sinyallerindeki anormallikleri kontrol etmek için kalbin elektriksel aktivitesini grafiksel olarak gözlemlemek için kullanılır.

Bir EKG okumasından, hastaların kalp atış hızı, QRS kompleksleri arasındaki zaman aralığına göre belirlenebilir. Ek olarak, bir ST segment yükselmesi ile bekleyen bir kalp krizi gibi diğer tıbbi durumlar tespit edilebilir. Bunun gibi okumalar, bir hastayı doğru şekilde teşhis etmek ve tedavi etmek için çok önemli olabilir. P dalgası kalbin atriyumunun kasılmasını, QRS eğrisi ventriküler kasılmayı, T dalgası ise kalbin repolarizasyonunu gösterir. Bunun gibi basit bilgileri bile bilmek, hastaları anormal kalp fonksiyonu için hızlı bir şekilde teşhis edebilir.

Tıbbi uygulamada kullanılan standart bir EKG, kalbin alt bölgesi etrafına hafif yarım daire şeklinde yerleştirilmiş yedi elektrota sahiptir. Elektrotların bu şekilde yerleştirilmesi, kayıt sırasında minimum gürültüye izin verir ve ayrıca daha tutarlı ölçümlere olanak tanır. Oluşturulan EKG devresi amacımız için sadece üç elektrot kullanacağız. Pozitif giriş elektrodu sağ bileğin iç kısmına, negatif giriş elektrodu sol iç bileğe yerleştirilecek ve toprak elektrodu ayak bileğine bağlanacaktır. Bu, okumaların kalpten göreceli doğrulukla alınmasına izin verecektir. Bir enstrümantasyon amplifikatörüne, bir alçak geçiren filtreye ve bir çentik filtresine bağlanan elektrotların bu şekilde yerleştirilmesiyle, EKG dalga biçimleri, oluşturulan devreden bir çıkış sinyali olarak kolayca ayırt edilebilir olmalıdır.

NOT: Bu tıbbi bir cihaz değildir. Bu, yalnızca simüle edilmiş sinyallerin kullanıldığı eğitim amaçlıdır. Bu devreyi gerçek EKG ölçümleri için kullanıyorsanız, lütfen devrenin ve devre-enstrüman bağlantılarının uygun izolasyon tekniklerini kullandığından emin olun

Adım 1: Enstrümantasyon Amplifikatörü Oluşturun

1000 veya 60 dB kazançlı çok aşamalı bir enstrümantasyon oluşturmak için aşağıdaki denklem uygulanmalıdır.

Kazanç=(1+2*R1/Kazanç)

R1, bir anlamda tüm kazancın amplifikatörün ilk aşamasına dahil olmasına neden olacak olan kazanç direnci dışında enstrümantasyon amplifikatöründe kullanılan tüm dirençlere eşittir. Bu 50,3 kΩ olarak seçilmiştir. Kazanç direncini hesaplamak için bu değer yukarıdaki denkleme eklenir.

1000=(1+2*50300/Geri Kazanma)

Kazanç = 100,7

Bu değer hesaplandıktan sonra, enstrümantasyon amplifikatörü bu adımda gösterilen aşağıdaki devre gibi oluşturulabilir. OP/AMP'lere devre şemasında gösterildiği gibi pozitif ve negatif 15 volt ile güç verilmelidir. Her OP/AMP için baypas kapasitörleri, OP/AMP'lerin kızarmasını ve katkıda bulunabilecek herhangi bir ek gürültüyü önlemek için güç kaynağından toprağa gelen herhangi bir AC sinyalini azaltmak için güç kaynağı ile seri olarak OP/AMP'nin yanına yerleştirilmelidir. sinyale. Ayrıca devrelerin gerçek kazancını test etmek için pozitif elektrot düğümüne bir giriş sinüs dalgası verilmeli ve negatif elektrot düğümü toprağa bağlanmalıdır. Bu, devrenin kazancının tepeden tepeye 15 mV'den daha az bir giriş sinyali ile doğru bir şekilde görülmesini sağlayacaktır.

Adım 2: 2. Derece Alçak Geçiren Filtreyi Oluşturun

150 Hz olan EKG sinyali için ilgilenilen frekansın üzerindeki gürültüyü gidermek için 2. dereceden bir alçak geçiren filtre kullanılmıştır.

2. mertebe alçak geçiren filtre için hesaplamalarda kullanılan K değeri kazançtır. Filtremizde herhangi bir kazanç istemediğimiz için, giriş voltajının çıkış voltajına eşit olacağı anlamına gelen 1 kazanç değeri seçtik.

K=1

Bu devre için kullanılacak ikinci dereceden bir Butterworth filtresi için a ve b katsayıları aşağıda tanımlanmıştır. a=1.414214 b=1

Birincisi, ikinci kapasitör değeri, laboratuvarda ve gerçek dünyada kolayca bulunabilen nispeten büyük bir kapasitör olacak şekilde seçilir.

C2=0.1 F

Birinci kondansatörü hesaplamak için, onunla ikinci kondansatör arasındaki aşağıdaki ilişkiler kullanılır. Bu değerin ne olması gerektiğini hesaplamak için K, a ve b katsayıları denkleme eklendi.

C1<=C2*[a^2+4b(K-1)]/4b

C1<=(0.1*10^-6[1.414214^2+4*1(1-1)]/4*1

C1<=50 nF

Birinci kondansatör 50 nF'den küçük veya eşit olarak hesaplandığından, aşağıdaki kapasitör değeri seçilmiştir.

C1=33 nF

150 Hz'lik bir kesme frekansına sahip bu ikinci dereceden alçak geçiren filtre için gereken ilk direnci hesaplamak için, hem hesaplanan kapasitör değerleri hem de K, a ve b katsayıları kullanılarak aşağıdaki denklem çözülmüştür. R1=2/[(kesme frekansı)*[aC2*sqrt([(a^2+4b(K-1))C2^2-4bC1C2])]

R1=9478 Ohm

İkinci direnci hesaplamak için aşağıdaki denklem kullanıldı. Kesim frekansı yine 150 Hz ve b katsayısı 1'dir.

R2=1/[bC1C2R1(kesme frekansı)^2]

R2=35.99 kOhm İkinci dereceden bir notch filtre için gerekli olan direnç ve kapasitörler için yukarıdaki değerler hesaplandıktan sonra kullanılacak aktif alçak geçiren filtreyi göstermek için aşağıdaki devre oluşturulmuştur. OP/AMP, şemada gösterildiği gibi pozitif ve negatif 15 volt ile çalıştırılır. Bypass kapasitörleri güç kaynaklarına bağlanır, böylece OP/AMP'nin bu sinyal tarafından kızartılmamasını sağlamak için kaynaktan çıkan herhangi bir AC sinyali toprağa yönlendirilir. EKG devresinin bu aşamasını test etmek için giriş sinyali düğümü bir sinüs dalgasına bağlanmalı ve filtrenin nasıl çalıştığını görmek için 1 Hz ile 200 Hz arasında bir AC taraması yapılmalıdır.

Adım 3: Çentik Filtresini Oluşturun

Çentik filtresi, düşük frekanslı sinyalleri ölçmek için birçok devrenin son derece önemli bir parçasıdır. Düşük frekanslarda, 60 Hz AC gürültüsü, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki binalardan geçen AC akımının frekansı olduğu için oldukça yaygındır. Bu 60 Hz gürültü, EKG için geçiş bandının ortasında olduğu için elverişsizdir, ancak bir çentik filtresi, sinyalin geri kalanını korurken belirli frekansları kaldırabilir. Bu çentik filtresini tasarlarken, kesimin yuvarlanmasının ilgi noktası çevresinde keskin olmasını sağlamak için yüksek kalite faktörüne (Q) sahip olmak çok önemlidir. Aşağıda EKG devresinde kullanılacak bir aktif çentik filtresi oluşturmak için kullanılan hesaplamalar detaylandırılmıştır.

İlk olarak ilgilenilen frekans olan 60 Hz, Hz'den rad/s'ye dönüştürülmelidir.

frekans=2*pi*frekans

frekans=376.99 rad/saniye

Ardından, kesilen frekansların bant genişliği hesaplanmalıdır. Bu değerler, ilgilenilen ana frekans olan 60 Hz'nin tamamen kesilmesini ve sadece birkaç çevre frekansının hafifçe etkilenmesini sağlayacak şekilde belirlenir.

Bant genişliği=Kesme2-Kesme1

Bant genişliği=37.699 Daha sonra kalite faktörü belirlenmelidir. Kalite faktörü, çentiğin ne kadar keskin olduğunu ve kesmenin ne kadar dar başladığını belirler. Bu, bant genişliği ve ilgilenilen frekans kullanılarak hesaplanır. Q=frekans/Bant Genişliği

S = 10

Bu filtre için hazır bir kapasitör değeri seçilir. Kondansatörün büyük olmasına gerek yoktur ve kesinlikle çok küçük olmamalıdır.

C=100 nF

Bu aktif çentik filtresinde kullanılan ilk direnci hesaplamak için kalite faktörü, ilgili frekans ve seçilen kapasitörü içeren aşağıdaki ilişki kullanılmıştır.

R1=1/[2QC*frekans]

R1=1326,29 Ohm

Bu filtrede kullanılan ikinci direnç aşağıdaki ilişki kullanılarak hesaplanır.

R2=2Q/[frekans*C]

R2=530516 Ohm

Bu filtre için son direnç, önceki iki direnç değeri kullanılarak hesaplanır. Hesaplanan ilk dirence çok benzer olması beklenir.

R3=R1*R2/[R1+R2]

R3=1323 Ohm

Yukarıda açıklanan denklemler kullanılarak tüm bileşen değerleri hesaplandıktan sonra, EKG sinyalini bozacak 60 Hz AC gürültüsünü doğru bir şekilde filtrelemek için aşağıdaki çentik filtresi oluşturulmalıdır. OP/AMP'ye aşağıdaki devrede gösterildiği gibi pozitif ve negatif 15 volt ile güç verilmelidir. OP/AMP üzerindeki güç kaynaklarından baypas kapasitörleri bağlanır, böylece güç kaynağından gelen herhangi bir AC sinyali OP/AMP'nin kızarmamasını sağlamak için toprağa yönlendirilir. Devrenin bu kısmını test etmek için giriş sinyali bir sinüs dalgasına bağlanmalı ve 60 Hz sinyalin filtrelenmesini görmek için 40 Hz ile 80 Hz arasında bir AC taraması yapılmalıdır.

Adım 4: Kalp Atış Hızını Hesaplamak için bir LabVIEW Programı Oluşturun

LabVIEW, enstrümanları çalıştırmak ve veri toplamak için kullanışlı bir araçtır. EKG verilerini toplamak için, 1 kHz örnekleme hızında giriş voltajlarını okuyacak bir DAQ kartı kullanılır. Bu giriş voltajları daha sonra EKG kaydını görüntülemek için kullanılan bir çizime verilir. Toplanan veriler daha sonra okunan maksimum değerleri veren bir maksimum bulucudan geçer. Bu değerler, maksimum çıktının %98'inde bir tepe eşiğinin hesaplanmasına izin verir. Daha sonra, verilerin bu eşikten ne zaman daha büyük olduğunu belirlemek için bir tepe dedektörü kullanılır. Bu veriler, tepe noktaları arasındaki süre ile birlikte kalp atış hızını belirlemek için kullanılabilir. Bu basit hesaplama, DAQ kartı tarafından okunan giriş voltajlarından kalp atış hızını doğru bir şekilde belirleyecektir.

Adım 5: Test Etme

Devrelerinizi kurduktan sonra onları çalıştırmaya hazırsınız! İlk olarak, her aşama 0,05 Hz ila 200 Hz arasında bir AC frekans taraması ile test edilmelidir. Giriş voltajı, sinyalin OP/AMP sınırlamaları tarafından yönlendirilmemesi için tepeden tepeye 15 mV'den büyük olmamalıdır. Ardından, tüm devreleri bağlayın ve her şeyin düzgün çalıştığından emin olmak için tekrar tam bir AC taraması çalıştırın. Komple devrenizin çıktısından memnun kaldıktan sonra, kendinizi ona bağlamanın zamanı geldi. Pozitif elektrodu sağ bileğinize ve negatif elektrodu sol bileğinize yerleştirin. Toprak elektrodunu ayak bileğinize koyun. Tüm devrenin çıkışını DAQ kartınıza bağlayın ve LabVIEW programını çalıştırın. EKG sinyaliniz artık bilgisayardaki dalga şekli grafiğinde görünmelidir. Değilse veya bozuksa, kazanç direncini buna göre değiştirerek devrenin kazancını yaklaşık 10'a düşürmeyi deneyin. Bu, sinyalin LabVIEW programı tarafından okunmasına izin vermelidir.